DE19963816C2 - Verfahren und Vorrichtung zur Umsetzung eines bidirektionalen Datenstroms über eine So-Schnittstelle für eine Übermittlung über ein Niederspannungsstromnetz - Google Patents

Description

Die starke Entwicklung des Telekommunikationsmarktes in den letzten Jahren hat zur Folge, daß der Suche nach bisher unge­ nutzten Übertragungskapazitäten mehr Bedeutung beigemessen wird, bzw. daß versucht wird vorhandene Übertragungskapazitä­ ten effizienter zu nutzen. Ein bekanntes Datenübertragungs­ verfahren ist die Übermittlung von Daten über das Stromver­ sorgungsnetz, in der Literatur häufig als 'Powerline Communi­ cation' kurz mit 'PLC' bezeichnet. Ein Vorteil der Nutzung des Stromversorgungsnetzes als Medium zur Datenübertragung liegt in der bereits bestehenden Netzinfrastruktur. So ver­ fügt fast jeder Haushalt sowohl über einen Zugang zum Strom­ versorgungsnetz als auch über ein bestehendes, weit verzweig­ tes Inhausstromnetz.

Das Stromversorgungsnetz gliedert sind in Europa je nach Art der Energieübertragung in verschiedene Netzstrukturen bzw. Übertragungsebenen. Die Hochspannungsebene mit einem Span­ nungsbereich von 110 kV bis 380 KV dient einer Energieüber­ tragung über weite Entfernungen. Die Mittelspannungsebene mit einem Spannungsbereich von 10 kV bis 38 kV dient dazu, die elektrische Energie vom Hochspannungsnetz in Verbrauchernähe zu führen und wird für den Verbraucher durch geeignete Netz­ transformatoren auf eine Niederspannungsebene mit einem Span­ nungsbereich bis 0,4 kV abgesenkt. Die Niederspannungsebene untergliedert sich wiederum in einen sogenannten Außerhausbe­ reich - auch als 'Last Mile' oder 'Access Bereich' bezeichnet - und in einen sogenannten Inhausbereich - auch als 'Last Me­ ter' bezeichnet. Der Außerhausbereich der Niederspannungsebe­ ne definiert den Bereich des Stromversorgungsnetzes zwischen Netztransformator und einer jeweils einem Verbraucher zuge­ ordneten Zählereinheit. Der Inhausbereich der Niederspannungsebene definiert den Bereich von der Zählereinheit bis zu den Anschlußeinheiten für den Verbraucher.

Für eine Datenübertragung über das Stromversorgungsnetz sind in Europa durch die Norm EN 50065-1, CELENEC, März 1997 vier unterschiedliche Fre­ quenzbereiche - in der Literatur häufig als CENELEC-Bänder A bis D bezeichnet - mit einem zugelassenen Frequenzbereich von 9 kHz bis 148,5 kHz und jeweils einer maximal zulässigen Sen­ deleistung festgelegt, die allein für eine Datenübermittlung auf Basis der 'Powerline Communication' reserviert sind. Durch die in diesem Frequenzbereich zur Verfügung stehende geringe Bandbreite und die eingeschränkte Sendeleistung sind hierbei jedoch nur Datenübertragungsraten von einigen 10 kBit/s realisierbar.

Für Telekommunikationsanwendungen, wie z. B. einer Übermitt­ lung von Sprachdaten, werden in der Regel jedoch Datenüber­ tragungsraten im Bereich von einigen MBit/s benötigt. Für die Realisierung einer solchen Datenübertragungsrate ist vor al­ lem eine genügend große Übertragungsbandbreite erforderlich, die ein Frequenzsprektrum bis 20 MHz mit geeignetem Übertra­ gungsverhalten bedingt. Eine Datenübertragung im Frequenzbe­ reich bis 20 MHz mit einem geeigneten Übertragungsverhalten ist heute ausschließlich in der Niederspannungsebene des Stromversorgungsnetzes realisierbar.

Eine Übermittlung von digitalen Sprachdaten stellt zusätzlich zur Bandbreite hohe Anforderungen in Bezug auf die Echtzeit­ fähigkeit und die zulässige maximale Bitfehlerrate - kurz BER - des Datenübertragungssystems. Zusätzlich bedingt eine Über­ mittlung von digitalen Sprachdaten eine kollisionsfreie Punkt-zu-Multipunkt-Datenübertragung im Vollduplexbetrieb, d. h. eine fehlerfreie, gleichzeitige Datenübertragung in bei­ den Übertragungsrichtungen zwischen mehreren Teilnehmern. Ein bekanntes Datenübertragungsverfahren zur Übertragung von di­ gitalen Sprachdaten ist das ISDN-Übertragungsverfahren (In­ tegrated Services Digital Network). Eine Datenübertragung gemäß dem ISDN-Übertragungsverfahren welches die obengenannten Bedingungen erfüllt kann beispielsweise auf Basis der bekann­ ten S₀-Schnittstelle - in der Literatur häufig auch als Basi­ sanschluß bezeichnet - erfolgen.

Aus der deutschen Patentschrift DE 197 14 386 C1 ist ein Ver­ fahren sowie eine Anordnung zur Datenübertragung in Nie­ derspannungsnetzen bekannt, bei dem die Datenübertragung in einem hochfrequenten Bereich mit einer Bandspreizung der Da­ tensignale und einem Sendepegel unterhalb der vorgegebenen Funk- und Leitungsstörspannungsgrenze durchgeführt wird. Bandspreizverfahren sind Modulationen, bei der ein modulier­ tes Signal auf eine möglichst hohe sprektrale Bandbreite ver­ teilt wird. Zur Gewährleistung einer eindeutigen Zuordnung mehrerer Kommunikationspartner werden die mit unterschiedli­ chen Sequenzen einer Familie von Pseudozufallszahlen ge­ spreizten Signale zur Vorgabe einer empfängerspezifischen lo­ gischen Richtung mit einer Richtungskodierung versehen. Mit einem vorgeschlagenen Frequenzband von bis zu 30 MHz unter Anwendung einer Direktsequenz-Bandspreiztechnik sind regelmä­ ßig Signalaufbereitungseinheiten vorzusehen, um eine fehler­ sichere Datenübertragung auf der gesamten Niederspannungsebe­ ne zu gewährleisten. Die Anwendung der Bandspreiztechnik be­ dingt damit einen erheblichen Aufwand zur Signalregenerierung der Datensignale.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 bzw. 14 so weiterzubilden, dass eine einfache Umsetzung einer S₀-Schnittstelle für eine Datenübermittlung auf Basis einer 'Powerline Communication' erfolgen kann.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß mit den im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 bzw. 14 angegebenen Merkmalen.

Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht darin, daß durch eine Umsetzung der bekannten S₀-Schnittstelle für eine Datenübermittlung auf Basis der 'Powerline Communication' herkömmliche ISDN-Kommunikationsendgeräte auf einfache und kostengünstige Weise für eine Datenübermittlung über ein Nie­ derspannungsstromnetz verwendet werden können.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unter­ ansprüchen angegeben.

Ein Vorteil von in den Unteransprüchen definierten Ausgestal­ tungen der Erfindung besteht unter anderem darin, daß durch eine Nutzung von bekannten, z. B. auf Basis des von der ITU-T standardisierten Sprachkodieralgorithmus G.729 basierenden, Komprimierungsverfahren bzw. Komprimierungseinrichtungen auf einfache Weise die für eine Übermittlung eines S₀-Datenstroms über das Niederspannungsstromnetz benötigte Bandbreite redu­ ziert werden kann.

Ein weiterer Vorteil von in den Unteransprüchen definierten Ausgestaltungen der Erfindung besteht darin, daß die beste­ hende Baumstruktur des Niederspannungsstromnetzes im Inhaus­ bereich auf einfache Weise auf eine Master-Slave-Kommunikationsbeziehung zwischen einer als Master-Einrichtung konfi­ gurierten, einem jeweiligen Verbraucher zugeordneten Zähler­ einheit und den am Niederspannungsstromnetz angeschlossenen, als Slave-Einrichtung konfigurierten Kommunikationseinrich­ tungen abgebildet werden kann.

Noch ein Vorteil von in den Unteransprüchen definierten Aus­ gestaltungen der Erfindung besteht darin, daß durch eine Nut­ zung der für die S₀-Schnittstelle implementierten Übertra­ gungsmechanismen eine bidirektionale und kollisionsfreie Da­ tenübermittlung über das Niederspannungsstromnetz bei bis zu maximal 8 angeschlossenen Slave-Einrichtungen ohne zusätzli­ chen Implementierungsaufwand realisiert werden kann.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden an­ hand der Zeichnung näher erläutert.

Dabei zeigen:

Fig. 1: ein Strukturbild zur schematischen Darstellung ei­ nes Stromversorgungsnetzes;

Fig. 2: ein Strukturbild zur schematischen Darstellung ei­ ner Umwandlung eines in einem invertierten AMI- Kanalkode kodierten S₀-Datenstroms in einen binär kodierten S₀-Datenstrom;

Fig. 3: ein Strukturbild zur schematischen Darstellung ei­ ner Umsetzung des S₀-Datenstroms für eine Übermitt­ lung über ein Niederspannungsnetz gemäß einer ers­ ten Ausführungsform;

Fig. 4: ein Strukturbild zur schematischen Darstellung ei­ ner Umsetzung des S₀-Datenstroms für eine Übermitt­ lung über das Niederspannungsnetz gemäß einer zwei­ ten Ausführungsform;

Fig. 5: ein Strukturbild zur schematischen Darstellung ei­ ner durch eine Komprimierungseinheit ausgeführten Komprimierung des binär kodierten S₀-Datenstroms;

Fig. 6: ein Strukturbild zur schematischen Darstellung ei­ ner Linearisierung des binär kodierten S₀-Daten­ stroms.

Fig. 1 zeigt ein Strukturbild mit einer schematischen Dar­ stellung eines Stromversorgungsnetzes. Das Stromversorgungs­ netz gliedert sind in Abhängigkeit der Energieübertragungart in verschiedene Netzstrukturen bzw. Übertragungsebenen. Die Hochspannungsebene bzw. das Hochspannungsnetz HSN mit einem Spannungsbereich von 110 kV bis 380 kV dient einer Energie­ übertragung über weite Entfernungen. Die Mittelspannungsebene bzw. das Mittelspannungsnetz MSN mit einem Spannungsbereich von 10 kV bis 38 kV dient dazu, die elektrische Energie vom Hochspannungsnetz in Verbrauchernähe zu führen. Das Mittel­ spannungsnetz MSN ist dabei über eine die jeweiligen Spannun­ gen umsetzende Transformatorstation HSN-MSN TS mit dem Hoch­ spannungsnetz HSN verbunden. Das Mittelspannungsnetz MSN ist zusätzlich über eine weitere Transformatorstation MSN-NSN TS mit dem Niederspannungsnetz NSN verbunden.

Die Niederspannungsebene bzw. das Niederspannungsnetz mit ei­ nem Spannungsbereich bis 0,4 kV gliedert sich in einen soge­ nannten Außerhausbereich AHB und in einen sogenannten Inhaus­ bereich IHB. Der Außerhausbereich AHB definiert den Bereich des Niederspannungsnetzes NSN zwischen der weiteren Transfor­ matorstation MSN-NSN TS und einer einem jeweiligen Verbrau­ cher zugeordneten Zählereinheit ZE. Durch den Außerhausbe­ reich AHB sind mehrere Inhausbereiche IHB mit der die Umset­ zung auf das Mittelspannungsnetz MSN realisierenden weiteren Transformatorstation MSN-NSN TS verbunden. Der Inhausbereich IHB definiert den Bereich von der Zählereinheit ZE bis zu im Inhausbereich IHB angeordneten Anschlußeinheiten AE. Eine Anschlußeinheit AE ist beispielsweise eine an das Niederspan­ nungsnetz NSN angeschlossene Steckdose. Das Niederspannungs­ netz NSN im Inhausbereich IHB ist dabei in der Regel als Baumnetzstruktur ausgelegt, wobei die Zählereinheit ZE die Wurzel der Baumnetzstruktur bildet.

Für eine Übermittlung von digitalen Sprachdaten - insbesonde­ re auf Basis der S₀-Schnittstelle - über das Stromversor­ gungsnetz ist eine Übertragungsbandbreite von einigen MBit/s mit einem geeigneten Übertragungsverhalten notwendig, welche zur Zeit nur im Niederspannungsnetz NSN realisierbar ist. Die S₀-Schnittstelle verwendet als Leitungskode standardmäßig ei­ nen sogenannten 'invertierten AMI-Kanalkode' (Alternate Mark Inversion), welcher zur Umsetzung der S₀-Schnittstelle für eine Datenübermittlung über das Niederspannungsnetz NSN in einen binären Kode umgewandelt werden muß.

Fig. 2 zeigt ein Strukturbild zur schematischen Darstellung der Umwandlung eines im invertierten AMI-Kanalkode kodierten S₀-Datenstroms in einen binär kodierten S₀-Datenstrom. Ein S₀- Datenstrom besteht dabei aus einer Folge von nacheinander zu übertragenden, sogenannten S₀-Rahmen SR. Bei dem AMI-Kanal­ kode handelt es sich um einen pseudoternären Leitungskode, bei dem die beiden binären Zustände "0" und "1" durch die drei Signalpotentiale '0', '1' und '-1' repräsentiert werden. Hierbei wird beim invertierten AMI-Kanalkode der binäre Zu­ stand "1" durch das Signalpotential '0' repräsentiert. Dem binären Zustand "0" wird entweder ein positives oder ein ne­ gatives Signalpotential '1' oder '-1' zugeordnet, wobei sich die Polarität zwischen zwei aufeinanderfolgenden "0"-Zustän­ den ändert.

Eine S₀-Schnittstelle umfaßt im wesentlichen 2 Nutzdatenkanä­ le, welche jeweils als ISDN-orientierte B-Kanäle mit einer Übertragungsbitrate von jeweils 64 kBit/s ausgestaltet sind und einen Signalisierungskanal, welcher als ISDN-orientierter D-Kanal mit einer Übertragungsbitrate von 16 kBit/s ausges­ taltet ist. Für eine bidirektionale Datenübermittlung über die S₀-Schnittstelle ist in der Regel eine 4-Draht-Übertra­ gung vorgesehen, wobei die beiden Übertragungsrichtungen - im folgenden als Downstream-Richtung DS und Upstream-Richtung US bezeichnet - über getrennte Leitungen geführt werden. Die Downstream-Richtung DS definiert dabei die Datenübertragung über eine Übertragungsstrecke von einer zentralen, die Über­ tragung steuernden Einrichtung - im folgenden als 'Master' M bezeichnet - zu weiteren an der Übertragungsstrecke ange­ schlossenen Einrichtungen - im folgenden als 'Slaves' S be­ zeichnet. Die Upstream-Richtung US definiert die Datenüber­ tragung von den jeweiligen Slaves S zum Master M. Beim vor­ liegenden Ausführungsbeispiel wird die einem Inhausbereich IHB zugeordnete Zählereinheit ZE als Master M - durch das in Fig. 1 in Klammern gesetzte M angedeutet - und die über die Anschlußeinheiten AE an das Niederspannungsnetz NSN im In­ hausbereich IHB angeschlossenen Kommunikationseinrichtungen als Slaves S konfiguriert. Über die S₀-Schnittstelle sind durch den Master M maximal bis zu acht unterschiedliche Sla­ ves S adressierbar.

In der Fig. 2 ist für einen im invertierten AMI-Kanalkode ko­ dierten, pseudoternären S₀-Datenstrom jeweils ein S₀-Rahmen SR in Downstream-Richtung DS und in Upstream-Richtung US dar­ gestellt. Ein S₀-Rahmen SR weist eine Rahmenlänge von 250 µs auf und umfaßt insgesamt 48 Bit. Im Rahmen eines S₀-Rahmens SR werden jeweils 16 Bit Nutzinformation über einen ersten Nutzdatenkanal B1 und 16 Bit Nutzinformation über einen zwei­ ten Nutzdatenkanal B2 sowie 4 Bit Signalisierungsinformation über den Signalisierungskanal übermittelt. Des weiteren wer­ den in einem S₀-Rahmen SR beispielsweise für eine Zugriffs­ steuerung, für eine Synchronisierung des Downstream-Daten­ stroms DS und des Upstream-Datenstroms US und für eine Reali­ sierung von höheren Systemdiensten gemäß dem OSI-Schichten­ modell zusätzliche Steuerbits übermittelt. Somit ergibt sich sowohl für den Downstream- als auch für den Upstream-Daten­ strom DS, US jeweils eine Übertragungsbitrate von 192 kBit/s. Die Bedingungen für eine Datenübermittlung über die S₀- Schnittstelle sind in der ITU-T (International Telecommunica­ tion Union) Spezifikation I.430 "ISDN User-Network Inter­ faces" standardisiert.

Der im invertierten AMI-Kanalkode kodierte, pseudoternäre S₀- Datenstrom wird durch eine Umwandlungseinheit UE in einen bi­ nären S₀-Datenstrom umgewandelt. Hierbei wird für den Downstream- und den Upstream-Datenstrom DS, US die im AMI- Kanalkode kodierte 48 Bit umfassende Information des S₀- Rahmens SR in eine 48 Bit umfassende, binär kodierte Informa­ tion umgewandelt und durch einen 2-Bit langen Header H zu ei­ nem 50 Bit langen Binärrahmen BR zusammengefaßt. Der Header H umfaßt ein Synchronisations-Bit SYN und ein Anfangszustands- Bit ANF. Das Anfangszustands-Bit ANF beinhaltet eine Informa­ tion über das dem ersten "0"-Zustand zugeordnete Signalpoten­ tial im AMI-Kanalkode. Da das Signalpotential für den "0" Zu­ stand das Potential 1 oder -1 besitzen kann, ist diese Infor­ mation für eine Wiederherstellbarkeit des ursprünglichen AMI- Kanalkodes auf der Empfängerseite notwendig. Das Synchronisa­ tions-Bit SYN dient einer Synchronisation der auf Empfänger­ seite aus den Binärrahmen BR wiederhergestellten, einander zugeordneten S₀-Rahmen SR für den Downstream-Datenstrom DS und den Upstream-Datenstrom US, da die einander zugeordneten S₀-Rahmen SR für den Downstream- und den Upstream-Datenstrom DS, US - wie aus der Fig. 2 ersichtlich - gegenseitig um zwei Bit versetzt sind.

Somit ergibt sich für den binären S₀-Datenstrom sowohl für den Downstream-Datenstrom DS als auch für den Upstream-Da­ tenstrom US jeweils eine Übertragungsbitrate von

(48 + 2) Bit/250 µs = 200 kBit/s.

Fig. 3 zeigt ein Strukturbild zur schematischen Darstellung einer Umsetzung des im invertierten AMI-Kanalkode kodierten, pseudoternären S₀-Datenstroms für eine Übermittlung über das Niederspannungsnetz NSN gemäß einer ersten Ausführungsform. In einem ersten Schritt wird der pseudoternäre, gemäß dem in­ vertierten AMI-Kanalkode kodierte S₀-Datenstrom durch die Um­ wandlungseinheit UE - wie unter Bezugnahme auf Fig. 2 be­ schrieben - in einen binär kodierten S₀-Datenstrom umgewandelt. Der binär kodierte, aus einer Folge von Binärrahmen BR bestehende S₀-Datenstrom wird anschließend an eine Protokoll­ einheit PE für eine Umwandlung in ein für eine Datenübermitt­ lung über das Niederspannungsnetz NSN vorgesehenes Datenfor­ mat weitergeleitet.

Aufgrund der im Inhausbereich IHB des Niederspannungsnetzes NSN bestehenden Baumstruktur wird für eine Datenübermittlung zwischen den an das Niederspannungsnetz NSN im Inhausbereich IHB angeschlossenen Einrichtungen und der dem Inhausbereich IHB zugeordneten Zählereinheit ZE eine Master-Slave-Kommuni­ kationsbeziehung eingerichtet. Hierbei wird die im Inhausbe­ reich IHB angeordnete, die Wurzel der Baumstruktur bildende Zählereinheit ZE als Master M und die weiteren, über die Anschlußeinheiten AE an das Niederspannungsnetz NSN ange­ schlossenen Einrichtungen als Slaves S definiert.

Für eine Datenübermittlung über das Niederspannungsnetz NSN sind sogenannte PLC-Datenpakete mit einer Länge von jeweils 250 µs vorgesehen, die in einen PLC-Header PLC-H und in einen Nutzdatenbereich untergliedert sind. Der PLC-Header PLC-H um­ faßt im wesentlichen eine Adreßinformation zur Adressierung der an das Niederspannungsnetz NSN angeschossenen Slaves S. Die Adreßinformation kann dabei durch eine den Slaves S je­ weils eindeutig zugeordnete MAC-Adresse (Medium Access Control) gebildet werden. Die MAC-Adresse ist eine eindeuti­ ge, auf der Schicht 2 des OSI-Referenzmodells angesiedelte 6 Byte lange Hardware-Adresse. Alternativ kann eine Adressie­ rung der an das Niederspannungsnetz NSN angeschlossenen Sla­ ves S durch eine auf dem ATM-Protokoll (Asynchronous Transfer Modus) basierende VPI/VCI-Adressierung (Virtual Path Identi­ fer/Virtual Channel Identifer) realisiert werden.

Für eine Realisierung einer bidirektionalen Datenübertragung über das Niederspannungsnetz NSN werden für den Downstream- Datenstrom DS und für den Upstream-Datenstrom US unterschied­ liche PLC-Datenpakete definiert, die mit Hilfe des Frequenzduplexverfahrens - in der Literatur häufig als 'Frequency Di­ vision Duplex' kurz 'FDD' bezeichnet - durch Modulation in zwei unterschiedliche Frequenzbereiche Δf-DS, Δf-US verscho­ ben werden.

Für eine Gewährleistung einer kollisionsfreien Datenübertra­ gung über das Niederspannungsnetz NSN werden die Nutzdatenbe­ reiche der PLC-Datenpakete für den Downstream- und den Up­ streambereich DS-B, US-B mit Hilfe des Zeitmultiplex-basier­ ten Mehrfachzugriffssteuerungsverfahren - in der Literatur auch als 'Time Division Multiple Access' kurz 'TDMA' bezeich­ net - in mehrere Kanäle - häufig auch als Zeitschlitze be­ zeichnet - untergliedert. Die Anzahl der Kanäle je PLC-Daten­ paket entspricht dabei der maximalen Anzahl von an das Nie­ derspannungsnetz NSN anschließbaren Slaves S. Wie bereits be­ schrieben sind über die S₀-Schnittstelle durch den Master M maximal bis zu acht unterschiedliche Slaves S1-S8 adres­ sierbar, so daß die Nutzdatenbereiche der PLC-Datenpakete im vorliegenden Ausführungsbeispiel jeweils in acht jeweils 50 Bit lange Kanäle untergliedert werden. Die jeweilige Unter­ gliederung der Nutzdatenbereiche der PLC-Datenpakete in eine gleiche Anzahl von Kanälen wird in Literatur als symmetrische Rahmenbildung bezeichnet.

Jedem Slave S1-S8 wird sowohl für die Downstream-Richtung DS als auch für die Upstream-Richtung US ein Kanal im Nutzda­ tenbereich des jeweiligen PLC-Datenpakets fest zugeordnet. In diesem Kanal darf der Slave S1-S8 Daten senden bzw. empfan­ gen, d. h. die den Slaves S1-S8 zugeordneten Binärrahmen BR werden durch die Protokolleinheit PE in den jeweiligen dem Slave S1-S8 zugeordneten Kanal eingefügt bzw. aus diesem entnommen. Bei der vorliegenden Master-Slave-Kommunika­ tionsbeziehung ist beispielsweise ein zyklisch fester, hie­ rarchischer Sendeablauf für jedes PLC-Datenpaket realisiert. Dieser Sendeablauf wird in der Literatur üblicherweise als 'Polling' bezeichnet und läßt sich mit Hilfe des TDMA-Verfah­ rens gut realisieren.

Die PLC-Datenpakete werden anschließend für eine Übertragung über das Niederspannungsnetz NSN von der Protokolleinheit PE an eine erste bzw. eine zweite Übertragungseinheit UEE1, UEE2 übermittelt. Die erste und die zweite Übertragungseinheit UEE1, UEE2 realisieren die Datenübertragung beispielsweise gemäß dem OFDM-Übertragungsverfahren (Orthogonal Frequency Division Multiplex) mit einer vorgeschalteten FEC-Fehlerkor­ rektur (Forward Error Correction) und einer vorgeschalteten DQPSK-Modulation (Differenz Quadratur Phase Shift Keying). Hierbei steuert beispielsweise die erste Übertragungseinheit UEE1 eine Datenübertragung über das Niederspannungsnetz NSN in einem ersten Frequenzbereich Δf-DS und die zweite Übertra­ gungseinheit UEE2 die Datenübertragung in einem zweiten Fre­ quenzbereich Δf-US. Nähere Information zu diesen Übertra­ gungs- und Modulationsverfahren können aus der bisher nicht veröffentlichten Diplomarbeit von Jörg Stolle: "Powerline Communication PLC", 5/99, Siemens AG, entnommen werden.

Bei diesem ersten Umsetzungsmodus wird der Nutzdatenbereich des PLC-Datenpakets in insgesamt 8 Kanäle mit jeweils 50 Bit Länge aufgeteilt. Somit ergibt sich für die Downstream-Rich­ tung DS und die Upstream-Richtung US - ohne Berücksichtigung des PLC-Headers - jeweils eine benötigte Übertragungsbitrate von:

(8 × 50 Bit)/250 µs = 1600 kBit/s.

Im Gegensatz zur symmetrischen Rahmenbildung kann alternativ eine - nicht dargestellte - asymmetrische Rahmenbildung rea­ lisiert werden. Hierbei werden analog zur symmetrischen Rah­ menbildung für eine Realisierung einer bidirektionalen Daten­ übertragung über das Niederspannungsnetz NSN für den Downstream-Datenstrom DS und für den Upstream-Datenstrom US unterschiedliche PLC-Datenpakete definiert, die mit Hilfe des Frequenzduplexverfahren durch Modulation in zwei unterschied­ liche Frequenzbereiche Δf-DS, Δf-US verschoben werden.

Des weiteren wird für eine Gewährleistung einer kollisions­ freien Datenübertragung der Nutzdatenbereich des PLC-Daten­ pakets für den Upstream-Datenstrom US mit Hilfe des Zeitmul­ tiplex-basierten Mehrfachzugriffssteuerungsverfahrens in acht jeweils 50 Bit lange Kanäle untergliedert. Jedem Slave S1-S8 wird dabei ein Kanal fest zugeordnet, indem er senden darf, d. h. die den Slaves S1-S8 zugeordneten Binärrahmen BR werden durch die Protokolleinheit PE in den jeweiligen, dem Slave S1-S8 zugeordneten Kanal des PLC-Datenpakets für den Upstream-Datenstrom US eingefügt. Bei der vorliegenden Master-Slave-Kommunikationsbeziehung wird der Sendeablauf ebenfalls im 'Polling' realisiert.

Der Nutzdatenbereich des PLC-Datenpakets für den Downstream- Datenstrom DS umfaßt bei der asynchronen Rahmenbildung nur einen einzelnen 50 Bit langen Kanal über den eine Datenüber­ mittlung ausgehend vom Master M zu den Slaves S1-S8 er­ folgt. Da in der Downstream-Richtung DS der Master M als ein­ zige Einrichtung sendet, kann auf die bei der symmetrischen Rahmenbildung realisierte Punkt-zu-Multipunktstruktur ver­ zichtet werden. Bei der asynchronen Rahmenbildung wird die durch den Master M zu übermittelnde Nutzinformation parallel an alle Slaves S1-S8 gesendet. Dieses Übertragungsverfahren wird im allgemeinen als 'Broadcasting-Betrieb' bezeichnet. Auf diese Weise kann die für eine Datenübermittlung über das Niederspannungsnetz NSN in Downstream-Richtung DS benötigte Übertragungsbitrate reduziert werden.

Die PLC-Datenpakete werden anschließend analog zur symmetri­ schen Rahmenbildung für eine Übertragung über das Niederspan­ nungsnetz NSN von der Protokolleinheit PE an die erste bzw. zweite Übertragungseinheit UEE1, UEE2 übermittelt.

Somit ergibt sich bei der asymmetrischen Rahmenbildung - ohne Berücksichtigung des PLC-Headers - für die Downstream-Rich­ tung DS eine benötigte Übertragungsbitrate von 200 kBit/s und für die Upstream-Richtung US eine benötigte Übertragungsrate von 1600 kBit/s.

Um die für eine Datenübermittlung über das Niederspannungs­ netz NSN benötigte Bandbreite zu reduzieren wird die im Rah­ men eines Binärrahmens BR übermittelte Information gemäß ei­ ner weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung komp­ rimiert.

Fig. 4 zeigt ein Strukturbild zur schematischen Darstellung einer Umsetzung des im invertierten AMI-Kanalkode kodierten, pseudoternären S₀-Datenstroms für eine Übermittlung über das Niederspannungsnetz NSN gemäß der weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Hierbei wird nach der Umwand­ lungseinheit UE und vor der Protokolleinheit PE eine Kompri­ mierungseinheit KE zwischengeschaltet, durch welche die Bi­ närrahmen BR in komprimierte Binärrahmen KBR umgewandelt wer­ den. Die Funktionsweise der Umwandlungseinheit UE, der Proto­ kolleinheit PE und der Übertragungseinheiten UEE1, UEE2 ist wie unter Bezugnahme auf die erste Ausführungsform beschrie­ ben.

Im folgenden wird auf die durch die Komprimierungseinheit KE ausgeführte Komprimierung der in den Binärrahmen BR übermit­ telten Information näher eingegangen. Bei dem vorliegenden Ausführungsform der Erfindung wird nur die im Rahmen der Nutzdatenkanäle B1, B2 übermittelte Nutzdateninformation komprimiert. Die im Rahmen des Signalisierungskanals D über­ mittelte Signalisierungsinformation und die zusätzliche Steu­ erinformation werden transparent, d. h. ohne Komprimierung ü­ bermittelt.

Fig. 5 zeigt in einer schematischen Darstellung ein Verfahren zur Komprimierung des binär kodierten, aus einer Folge von Binärrahmen BR bestehenden S₀-Datenstroms. Hierbei werden je­ weils vierzig einer Übertragungsrichtung DS, US zugeordnete Binärrahmen BR-R1, . . ., BR-R40 in einer Speichereinrichtung ZSP der Komprimierungseinheit KE zwischengespeichert. Bei einer jeweiligen Dauer der Binärrahmen BR von 250 µs entspricht dies einer Gesamtdauer von 10 ms. Nachfolgend werden die zwi­ schen gespeicherten Binärrahmen BR-R1, . . ., BR-R40 in einer Separierungseinheit ASE jeweils in logische Einheiten unter­ gliedert und voneinander separiert. Logische Einheiten bilden beispielsweise der Header H, der erste Nutzdatenkanal B1 und der zweite Nutzdatenkanal B2. Der Signalisierungskanal D und die zusätzlichen Steuerbits der Binärrahmen BR-R1, . . ., BR-R40 bilden je nach ihrer Position im Binärrahmen BR weitere logi­ sche Einheiten. Die logischen Einheiten der Binärrahmen BR- R1, . . ., BR-R40 werden anschließend - wie in der Figur veran­ schaulicht - zu jeweils einem Verarbeitungsrahmen zusammenge­ faßt und an eine Linearisierungs- und Komprimierungseinheit LKE weitergeleitet. Die aus dem Header H, dem Signalisie­ rungskanal D und den zusätzlichen Steuerbits gebildeten Ver­ arbeitungsrahmen werden dabei transparent, d. h. ohne Kompri­ mierung durch die Linearisierungs- und Komprimierungseinheit LKE geführt.

Die dem ersten und den zweiten Nutzdatenkanal B1, B2 zugeord­ neten Verarbeitungsrahmen werden dagegen jeweils einer Linea­ risierungseinheit LE der Linearisierungs- und Komprimierungs­ einheit LKE zugeführt. Der einem Nutzdatenkanal B1, B2 zuge­ ordnete Verarbeitungsrahmen umfaßt insgesamt 80 einem jewei­ ligen Nutzdatenkanal B1, B2 zugeordnete Nutzdaten-Bytes, wo­ bei jedem Binärrahmen BR-R1, . . ., BR-R40 jeweils 2 Nutzdaten- Bytes im Verarbeitungsrahmen zugeordnet sind. Die im Rahmen des ersten und des zweiten Nutzdatenkanals B1, B2 übertragene Nutzdateninformation ist standardmäßig gemäß einer nichtline­ aren, sogenannten A-Kennlinie mit einer 8-Bit Auflösung ko­ diert. Um bekannte Komprimierungsverfahren nutzen zu können, ist eine der Komprimierung vorgeschaltete Linearisierung der Nutzdateninformation notwendig. Gleichzeitig mit der Lineari­ sierung erfolgt eine Umsetzung der 8-Bit Auflösung auf eine 16-Bit Auflösung. Somit ergibt sich für den ersten und den zweiten Nutzdatenkanal B1, B2 jeweils ein Verarbeitungsrahmen mit einer Länge von 80 × 16 = 1280 Bit und einer Dauer von 10 ms.

Die Verarbeitungsrahmen mit der linear kodierten Nutzdatenin­ formation werden anschließend jeweils einer kanalspezifischen Komprimierungseinheit KE-B1, KE-B2 zugeführt. Durch die ka­ nalspezifischen Komprimierungseinheiten KE-B1, KE-B2 erfolgt eine Komprimierung der in den Verarbeitungsrahmen übermittel­ ten Nutzdateninformation gemäß dem von der ITU-T standardi­ sierten Komprimierungsverfahren G.729. Dieser Sprachkodieral­ gorithmus wandelt die linear kodierten 16-Bit-Abtastwerte mit einer Abtastfrequenz von 8 kHz in einen 8 kBit/s-Datenstrom um. Hierzu ist ein Sprachsegment mit einer Dauer von 10 ms - dies entspricht im vorliegenden Ausführungsbeispiel einer Länge von 1280 Bit Nutzdateninformation - für eine gemäß dem Algorithmus durchzuführende Parameterberechnung notwendig. Am Ausgang der kanalspezifischen Komprimierungseinheiten KE-B1, KE-B2 ergeben sich somit für den ersten und den zweiten Nutz­ datenkanal B1, B2 jeweils komprimierte Verarbeitungsrahmen KR-B1, KR-B2 mit 80 Bit komprimierter Nutzdateninformation und einer Dauer von 10 ms. Alternativ zu dem von der ITU-T standardisierten Komprimierungsverfahren G.729 können auch andere Komprimierungsverfahren zur Komprimierung verwendet werden.

Die komprimierten Verarbeitungsrahmen KR-B1, KR-B2 werden nachfolgend einer Rahmenbildungseinheit RBE zugeführt, welche die in den komprimierten Verarbeitungsrahmen KR-B1, KR-B2 enthaltene komprimierte Nutzdateninformation gemäß der ur­ sprünglich unkomprimierten Binärrahmen BR-R1, . . ., BR-R40 sepa­ riert und mit den transparent durch die Linearisierungs- und Komprimierungseinheit LKE geführten weiteren Informationen - wie in der Figur dargestellt - zu einem komprimierten Binär­ rahmen KBR zusammenfügt. Ein komprimierter Binärrahmens KBR weist somit 22 Bit Information - 4 Bit Nutzdateninformation und 18 Bit Zusatzinformation - bei einer Dauer von 250 µs auf. Die für die Übermittlung eines komprimierten Binärrahmens KBR benötigte Übertragungsbandbreite reduziert sich so­ mit im Gegensatz zu einem unkomprimierten Binärrahmen BR von 200 kBit/s auf 88 kBit/s. Die komprimierten Binärrahmen KBR werden anschließend analog zur ersten Ausführungsform an die erste oder die zweite Übertragungseinheit UEE1, UEE2 zur Ein­ speisung in das Niederspannungsnetz NSN übertragen.

Somit ergibt sich bei der symmetrischen Rahmenbildung - ohne Berücksichtigung des PLC-Headers - sowohl für die Downstream- Richtung DS als auch für die Upstream-Richtung jeweils eine benötigte Übertragungsbitrate von 704 kBit/s.

Bei der asymmetrischen Rahmenbildung ergibt sich - ohne Be­ rücksichtigung des PLC-Headers - für die Downstream-Richtung DS eine benötigte Übertragungsbitrate von 88 kBit/s und für die Upstream-Richtung US eine benötigte Übertragungsrate von 704 kBit/s.

Fig. 6 zeigt nun in einer schematischen Darstellung ein Ver­ fahren zur Linearisierung der in den Verarbeitungsrahmen zu­ sammengefaßten Nutzdateninformation. Die in den Nutzdatenka­ nälen B1, B2 übermittelten Nutzdateninformation ist gemäß der Puls-Code-Modulation kurz PCM kodiert. Die Puls-Code-Modula­ tion verwendet für die Codierung eine nichtlineare, sogenann­ te "A-Kennlinie".

Die A-Kennlinie setzt sich insgesamt aus 13 Teilstücken - auch als Segmente bezeichnet - zusammen. Nach der Definition der ITU-T wird jeder Amplitudenwert eines abzutasteten Sig­ nals durch 8 Bit dargestellt. Der erste Bit gibt das Vorzei­ chen des abgetasteten Signals an. Die nächsten 3 Bit definie­ ren das relevante Segment der A-Kennlinie und die letzten 4 Bit legen eine Quantisierungsstufe innerhalb eines Segments fest. Insgesamt ergeben sich somit 256 Quantisierungsstufen.

Durch die Linearisierungseinheit LE wird die gemäß der nicht­ linearen A-Kennlinie kodierte Nutzdateninformation in ein, gemäß einer linearen Kennlinie kodiertes Signal umgesetzt. Gleichzeitig erfolgt eine Umsetzung der von der A-Kennlinie verwendeten 8-Bit Auflösung auf eine 16-Bit Auflösung. Durch die Verwendung einer linearen Codierung mit einer 16-Bit Auf­ lösung werden die Voraussetzungen für eine nachfolgende Ver­ wendung des Komprimierungsverfahrens gemäß dem ITU-T-Standard G.729 geschaffen.

Auf der Empfängerseite erfolgt ein Auslesen der PLC-Datenpa­ kete aus dem Niederspannungsnetz NSN und eine Umwandlung in einen gemäß dem invertierten AMI-Kanalkode kodierten, pseudo­ ternären S₀-Datenstrom analog zu der beschriebenen Funktions­ weise lediglich in umgekehrter Richtung.

Claims (22)

1. Verfahren zur Umsetzung eines bidirektionalen Datenstroms über eine S₀-Schnittstelle für eine Übermittlung über ein Nieder­ spannungsstromnetz (NSN), bei dem mit Hilfe eines Frequenz­ duplexverfahrens (Frequency Division Duplex FDD) erste, für eine Datenübermittlung in eine erste Übertragungsrichtung (DS) vorgesehene Übertragungspakete in einen ersten Frequenz­ bereich (Δf-DS) und zweite, für eine Datenübermittlung in ei­ ne zweite Übertragungsrichtung (US) vorgesehene Übertragungs­ pakete in einen zweiten Frequenzbereich (Δf-US) umgesetzt werden und in das Niederspannungsstromnetz (NSN) eingespeist werden, dadurch gekennzeichnet,
daß ein pseudoternärer, aus einer Folge von S₀-Rahmen (SR) bestehender Datenstrom über eine S₀-Schnittstelle in einen binä­ ren, aus einer Folge von Binärrahmen (BR) bestehenden Daten­ strom umgewandelt wird, und
daß die Binärrahmen (BR) in Abhängigkeit von der Übertragungsrichtung in die ersten oder die zweiten Übertragungspakete eingefügt und die ersten Über­ tragungspakete an eine erste Übertragungseinheit (UEE1) und die zweiten Übertragungspakete an eine zweite Übertragungs­ einheit (UEE2) zur Einspeisung in das Niederspannungsstrom­ netz (NSN) weitergeleitet werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für die Datenübermittlung über das Niederspannungsstrom­ netz (NSN) eine Master-Slave-Kommunikationsbeziehung einge­ richtet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in den ersten Übertragungspaketen Binärrahmen (BR) von einer Master-Einrichtung (M) zu mindestens einer Slave-Ein­ richtung (S1-S8) und in den zweiten Übertragungspaketen Binärrahmen (BR) von der mindestens einen Slave-Einrichtung (S1-S8) zur Master-Einrichtung (M) übermittelt werden.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Master-Einrichtung (M) im Polling-Verfahren Sende- und Empfangsrechte für die Slave-Einrichtungen (S2-­ S8) vergeben werden.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß die Übertragungspakete mit Hilfe eines Zeitmultiplex­ basierten Mehrfachzugriffssteuerungsverfahrens (Time Division Multiple Access TDMA) jeweils in mindestens einen Teilrahmen gegliedert werden, und
daß die Binärrahmen (BR) richtungsabhängig in die Teilrahmen des ersten oder des zweiten Übertragungspakets eingefügt wer­ den.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und die zweiten Übertragungspakete jeweils in acht Teilrahmen gegliedert sind, wobei jeder am Niederspan­ nungsstromnetz (NSN) angeschlossenen Slave-Einrichtung (S1-­ S8) für die bidirektionale Datenübermittlung mit der Master- Einrichtung (M) jeweils ein Teilrahmen in den ersten und in den zweiten Übertragungspaketen fest zugewiesen wird.

7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten Übertragungspakete in einen einzelnen Teilrah­ men und die zweiten Übertragungspakete in acht Teilrahmen ge­ gliedert sind, wobei jeder am Niederspannungsstromnetz (NSN) angeschlossenen Slave-Einrichtung (S1-S8) für die Daten­ übermittlung zur Master-Einrichtung (M) jeweils ein Teilrah­ men in den zweiten Übertragungspaketen fest zugewiesen wird und eine Datenübermittlung von der Master-Einrichtung (M) zu den Slave-Einrichtungen (S1-S8) gemeinsam über den Teilrah­ men der ersten Übertragungspakete erfolgt.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Umwandlung des S₀-Rahmens (SR) zu dem Binärrahmen (BR) eine Information zur Rückgewinnung der S₀-Rahmens (SR) eingefügt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß als Information ein Anfangszustands-Bit (ANF) und ein Synchronisations-Bit (SYN) in den Binärrahmen (BR) eingefügt werden.

10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß eine in einem Binärrahmen (BR) enthaltene Nutzinformation aus dem Binärrahmen (BR) separiert und nachfolgend kompri­ miert wird,
daß die komprimierte Nutzinformation mit der unkomprimierten Informationen des Binärrahmens (BR) zu einem komprimierten Binärrahmen (KBR) zusammengefaßt wird, und
daß die komprimierten Binärrahmen (KBR) richtungsabhängig in die ersten oder die zweiten Übertragungspakete eingefügt wer­ den.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Nutzinformation gemäß dem durch die ITU-T standardi­ sierten Komprimierungsverfahren G.729 komprimiert wird.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die einem ersten Nutzdatenkanal (B1) zugeordnete Nutzin­ formation und die einem zweiten Nutzdatenkanal (B2) zugeord­ nete Nutzinformation getrennt in jeweils einer kanalspezifischen Komprimierungseinrichtunge (KE-B1, KE-B2) komprimiert werden.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die gemäß einer nichtlinearen A-Kennlinie kodierte, eine 8-Bit Auflösung aufweisende Nutzinformation vor ihrer Kompri­ mierung in ein linear kodiertes, eine 16-Bit Auflösung auf­ weisendes Signal umgewandelt wird.

14. Vorrichtung zur Umsetzung eines bidirektionalen Daten­ stroms über eine S₀-Schnittstelle für eine Übermittlung über ein Niederspannungsstromnetz (NSN) wobei mit Hilfe eines Fre­ quenzduplexverfahrens (Frequency Division Duplex FDD) erste, für eine Datenübermittlung in eine erste Übertragungsrichtung (DS) vorgesehene Übertragungspakete in einen ersten Fre­ quenzbereich (Δf-DS) und zweite, für eine Datenübermittlung in eine zweite Übertragungsrichtung (US) vorgesehene Über­ tragungspakete in einen zweiten Frequenzbereich (Δf-US) um­ gesetzt werden, mit einer ersten Übertragungseinheit (UEE1) zum Einspeisen der ersten Übertragungspakete und einer zwei­ ten Übertragungseinheit (UEE2) zum Einspeisen der zweiten Ü­ bertragungspakete in das Niederspannungsstromnetz (NSN), gekennzeichnet durch,
eine Umwandlungseinheit (UE) zur Umwandlung des pseudoternä­ ren, aus einer Folge von S₀-Rahmen (SR) bestehenden Daten­ stroms über die S₀-Schnittstelle in einen binären, aus einer Folge von Binärrahmen (BR) bestehenden Datenstrom, und
eine Protokolleinheit (PE) zum Einfügen der Binärrahmen (BR) in für eine Datenübermittlung über das Niederspannungsstrom­ netz (NSN) vorgesehene Übertragungspakete.

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, gekennzeichnet durch,
eine der Protokolleinheit (PE) vorgeschaltete Komprimierungs­ einheit (KE), mit
einer Separierungseinheit (ASE) zum Separieren einer in einem Binärrahmen (BR) enthaltenen Nutzinformation,
einer Linearisierungs- und Komprimierungseinheit (LKE) zum Komprimieren der separierten Nutzinformation, und
einer Rahmenbildungseinheit zum Zusammenfassen der kompri­ mierten Nutzinformation mit der unkomprimierten Information des Binärrahmens (BR) zu einem komprimierten Binärrahmen (KBR).

16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Komprimierungseinheit (KE) gemäß dem durch die ITU-T standardisierten Komprimierungsverfahren G.729 ausgestaltet ist.

17. Vorrichtung nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Linearisierungs- und Komprimierungseinheit (LKE) zwei kanalspezifische Komprimierungseinheiten (KE-B1, KE-B2) auf­ weist.

18. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß den kanalspezifischen Komprimierungseinheiten (KE-B1, KE-B2) jeweils eine Linearisierungseinheit (LE) zur Umwand­ lung der gemäß einer nichtlinieraren A-Kennlinie kodierten, eine 8-Bit Auflösung aufweisenden Nutzinformation in ein li­ neares, eine 16-Bit Auflösung aufweisendes Signal vorgeschal­ tet ist.

19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß für die Datenübermittlung über das Niederspannungsstrom­ netz (NSN) eine Master-Slave-Kommunikationsbeziehung einge­ richtet ist.

20. Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß eine einem Inhausbereich (IHB) des Niederspannungsstrom­ netzes (NSN) zugeordnete Zählereinrichtung (ZE) als Master- Einrichtung (M) ausgestaltet ist.

21. Vorrichtung nach Anspruch 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, daß über jeweils eine Anschlußeinrichtung (AE) mit dem In­ hausbereich (IHB) des Niederspannungsstromnetzes (NSN) ver­ bundene Kommunikationseinrichtungen als Slave-Einrichtungen (S1-S8) ausgestaltet sind.

22. Vorrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß maximal acht Slave-Einrichtungen (S1-S8) an das Nieder­ spannungsstromnetz (NSN) anschließbar sind.